Глава 6

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевые транзисторы (ПТ) - это транзисторы, свойства которых совершенно отличаются от свойств обычных транзисторов, называемых также биполярными, чтобы подчеркнуть их отличие от ПТ. Как следует из названия, в ПТ управление током осуществляется электрическим полем, создаваемым приложенным напряжением, а не с помощью тока базы. Поэтому в управляющем электроде (затвор) практически нет тока, за исключением токов утечки. Получаемое, как следствие этого, высокое входное полное сопротивление (оно может быть больше 10* Ом) существенно во многих применениях и в любом случае упрощает проектирование схем. В качестве аналоговых переключателей и усилителей со сверхвысоким входным полным сопротивлением ПТ не имеют себе равных. Полевые транзисторы целесообразно использовать в качестве резисторов, управляемых напряжением (нелинейных резисторов), и источников тока. Так как на малой площади в ИМС может быть размещено большое число ПТ, то они особенно полезны для создания больших интегральных схем (БИС), применяемых в цифровой технике, таких, как микрокалькуляторы, микропроцессоры и устройства памяти. Плюс к тому недавнее появление сильноточных ПТ (10 А или более) означает, что ПТ могут заменить биполярные транзисторы во многих применениях, часто приводя к упрощению схем и улучшению их параметров. Однако, прежде чем вводить ПТ вместо биполярных транзисторов для улучшения режима работы схемы, надо очень тщательно проверить, что это улучшение вы действительно получите. Использование полевых транзисторов связано с рядом тонких вопросов, которые мы сейчас и рассмотрим достаточно полно и тщательно.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Существуют два основных вида ПТ, каждый из которых может Иметь две полярности (п-канальные, подобно прп, и уэ-канальные, подобно рпр), а именно полевке транзисторы с р - п-переходом и полевые транзисторы с изолированны.м затвором, или полевые МОП-транзисторы.

Затвор -

сток iJ

Ч

Моток

или

Сток lJ

Затвор-

Затвор -

Исток

6.01. Полевые транзисторы с /7- -переходом

Полевой транзистор о. р - п-переходом представляет собой проводящий брусок полупроводника, концы которого обозначены так: (С) - сток, (И) - исток, а вдоль него напылен затвор (3). Приложенное к затвору напряжение управляет проводимостью бруска,

или канала . Символическое изображение полевого транзистора с р - п-переходом дано на рис. 6.1. Как показано на рисунке, сток, исток и затвор являются аналогами коллектора, эмиттера и базы. Полевой п-канальный транзистор обычно работает в таких условиях, при которых сток имеет положительный потенциал относительно истока. Тем не менее в отличие от ситуации СП - р - п-транзи-стором при заземленном затворе ток будет течь от стока к истоку, и на затвор должно быть подано обратное смещение в несколько вольт для отсечки тока стока. Полевой транзистор с р - п-переходом никогда не работает с положительным смещением на затворе, поэтому в цепи затвора нет никакого тока, кроме тока утечки. На символическом изображении ПТ сток и исток, к несчастью, не различаются. Полевые транзисторы почти симметричны, но обычно в процессе производства стараются получить емкость между стоком и затвором меньше, чем емкость между истоком и затвором, вследствие чего использовать сток в качестве выходного электрода предпочтительнее. Иногда на схемах пишут И и С или используют другое обозначение, у которого стрелка, обозначающая затвор, рисуется напротив истока; в других случаях расположение концов можно уяснить из смысла схемы. Такая же неоднозначность существует и для МОП-транзисторов.

Сток jJ

%п

Исток или Сток J

Затвор-

Исток

Рис. 6.1.

а - л-канальный и б - р-капальиый транзистор с р-п-переходом.

6.02. МОП-транзисторы

В полевом транзисторе с р - п-переходом затвор образует с каналом сток - исток диодное соединение. Это накладывает ограничения на рабочие характеристики, поскольку существует ток утечки (имеющий значения порядка наноампера при обычных температурах и существенно растущий при высоком напряжении стока), а при поло-

жительном смещении затвора относительно истока или стока наблюдается обычная диодная проводимость с резким падением входного сопротивления. У полевых транзисторов с изолированным затвором, называемых иногда МОП-транзисторами (металл - окисел - полупроводник), затвор изолирован от проводящего канала слоем SiOa (стекла), наращенного на канал. Затвор действительно изолирован от цепи истока - стока (входное сопротивление оо 10 Ом) и действует иа ток исток - сток только своим электрическим полем.

Сток Сток

Под-

Ъш вор

Зат^ вор

Исток или

Сток J

И ложка

вор

п

Исток

вор

П Исток

или

Под-У1 ложка

п

Исток

Подложка

Рис. 6.2.

а - я-канальный и 6 - р-канальный МОП-транзисторы.

Символическое изображение МОП-транзистора показано на рис. 6.2. Новым для нас термином является подложка . Так как подложка образует с каналом диодное соединение, то напряжение на ней должно быть ниже напряжения проводимости. Она может быть соединена с истоком или с точкой схемы, в которой напряжение ниже (выше), чем у истока п-канального (р-канального) МОП-транзистора

У МОП-транзистора затвор может иметь любую полярность относительно истока; при этом тока затвора не будет, поскольку затвор гальванически не связан с цепью исток - сток. Это часто упрощает проектирование схем, а также позволяет конструировать две разновидности МОП-транзисторов - обедненного и обогащенного типа. МОП-транзистор обедненного типа может проводить ток при любом знаке напряжения затвора относительно истока и запирается, если затвор смещен в нужном направлении на несколько вольт, в точности так же, как ПТ с /? - п-переходом. МОП-транзистор обогащенного типа заперт при обратном или нулевом смещении затвора и проводит ток только при прямом смещении затвора.

График зависимости тока стока от напряжения между истоком и затвором при постоянном значении напряжения стока помогает уяс-

Достаточно, если подложка соединена с истоком, как это часто и делают.- Прим. ред.

Ограничение для G /)-п-переходом

нить разницу между этими типами МОП-транзисторов (рис. 6.3). МОП-транзистор обогащенного типа не дает тока, пока напряжение затвора не станет положительным (п-канальные ПТ) по отношению к истоку, в то время как МОП-транзистор обедненного типа дает большой ток при одинаковом напряжении затвора и истока. В некотором

смысле такое разбиение на две категории является искусственным, поскольку два графика на рис. 6.3 отличаются только на сдвиг по оси (Узи. Вполне возможно было бы производство промежуточных МОП-транзисторов. Тем не менее промыш-ленно выпускаемые МОП-трап-зисторы маркируются как обогащенные или обедненные, и эта разница становится существенной, когда дело доходит до проектирования схем.

Заметим, что ПТ с р - п-переходом всегда является прибором обедненного типа и смещение затвора относительно истока ие должно быть больше приблизительно -f 0,5 В (для п-канала), иначе появится проводимость в диодном переходе затвор - канал

л-канальныи МОП-транзистор

-5-4-3-2-1 О 1 2 3 4 5

и

Рис. 6.3. Обогащенные (1) и обедненные (2) ПТ отличаются только сдвигом напряжения затвор - исток (лог. масштаб).

ПТс р-п-переходом

МОП-транзисторы

6.03. Общая классификация ПТ

Генеалогическое дерево (рис. 6.4) и карта входных/выходных напряжений (рис. 6.5) помогают разобраться в ситуации. Различные приборы (включая цветочки - биполярные п - р - п- и р - п -р-транзисторы) нарисованы в квадрантах, характеризующих их входное и выходное напряжение в активной области при заземленном истоке (или эмиттере). Как можно заметить, существуют пять типов обычно применяемых ПТ. Однако помнить свойства каждого из них не обязательно, поскольку они в основном одинаковы.

> Если ток затвора при этом ие ограничить иа очень малом уровне, то транзистор выйдет из строя,- Прим. ред.

Л-каналь-ные

Рис. 6.4.

р-каналь-

ные

обедненные I

л-каналь-ные

обогащенные

л-каналь- р-канапь-ные ные

п-канапьныи обедненный п-канальный ПТо р-п-переходом

л-канальный обогащенный лрп-транзисторы

Во-первых, при заземленном истоке ПТ включается (переходит в проводящее состояние) смещением напряжения затвора в сторону напряжения питания стока относительно напряжения отсечки. Это верно для всех пяти типов. Выход

Например, для п-каналь- +

ного обедненного МОП-транзистора требуется положительное напряжение питания стока, как и для

всех п-канальных прибо- Вход--*-. > Вход

ров. Таким образом, этот ПТ включается положительным смещением затвора. Здесь есть тонкость, состоящая в том, что у приборов обедненного типа для Выход получения нулевого тока р„(,. 6.5. стока затвор должен иметь

обратное смещение (напряжение отсечки или пороговое), в то время как у приборов обогащенного типа достаточно для этой цели нуле-

р-канальный обогащенный ртр-транзисторы

р-канальный с р-п-переходом

/с,вкл(зи=+5)

отс

-5 -4 -3 -г -1 Уотс

Рис. 6.6. Характеристики ПТ обогащенного и обедненного типа обеих полярностей (лог. масштаб).

- обогащенный р-канальный МОП-траиэнстор; 2 - обогащенный л-каиальный МОП-транзнстор; 3 - л-канальный ПТ с р-л-переходом; 4 - р-канальиый ПТ с р-п-переходом.

вого напряжения на затворе.

Во-вторых, в связи с примерной симметрией истока и стока любой из этих выводов может работать в качестве истока. При изучении работы ПТ, а также при расчетах за исток принимается вывод, наиболее удаленный по напряжению от активного питания стока. Например, допустим, что ПТ используется для замыкания на землю некоторой линии, в которой присутствуют как положительные, так и отрицательные сигналы. Обычно такая линия подключается к стоку ПТ. Если в качестве ключа взят п-канальный МОП-транзистор обогащен-

ного типа и если случится, что в выключенном состоянии напряжение на стоковом выводе будет отрицательным, то для подсчета отпирающего и запирающего напряжения затвора этот вывод надо считать в действительности истоком . Как будет показано в разд. 6.12, это означает.

что для обеспечения запирания отрицательное напряжение на затворе должно быть больше не только уровня земли , но и наибольшего отрицательного сигнала.

Характеристики, приведенные на рис. 6.6, помогут вам разобраться в этих запутанных вопросах. Еще раз отметим, что разница между обогащенными и обедненными приборами выражается только в сдвиге вдоль оси - имеется ли большой ток стока или совсем никакого при одном и том же напряжении затвора и стока. Полевые -канальные и р-канальные транзисторы симметричны друг другу в том же смысле, в каком прп- и рпр-биполярные транзисторы, хотя далее будут указаны некоторые тонкие различия.

Имея дело с ПТ, легко запутаться в полярностях. Например, п-канальное устройство, у которого сток положителен обычно по отношению к истоку, может иметь положительное или отрицательное напряжение на затворе, а также положительное (обогащенный тип) или отрицательное (обедненный тип) пороговое напряжение. Часто бывает и такой случай, когда сток отрицателен по отношению к истоку (конечно, все эти утверждения справедливы с заменой знаков для р-канальных устройств). В дальнейшем мы всегда будем иметь в виду п-канальные устройства, если не оговорено противное.

6.04. Выходные характеристики ПТ

Полевой транзистор является очень хорошим прибором с точки зрения выходной проводимости - при постоянном напряжении между затвором и истоком ток стока почти не зависит от напряжения (за ис-

Рис. 6.7. Выходные характеристики: а-л-канальный ПТ с р-п-переходом; б - п-канальный МОП-транзистор обогащенного типа.

ключением области малых значений напряжения между истоком и стоком). На рис. 6.7 показаны типичные зависимости Iq от (Уси для ряда значений (/зи. Для приборов обедненного типа (все ПТ с р - -переходом и МОП-транзисторы обедненного типа) значение тока сто-

ка при затворе, закороченном на исток, указывается в таблице данных под названием /с иач и имеет значение, близкое к максимально возможному току стока. Для МОП-транзисторов обогащенного типа эквивалентным параметром является Iq кл, взятый при некотором отпирающем смещении затвора, (/q а, будет нулем для любого устройства обогащенного типа.) jjifl устройств обедненного типа (все ПТ с р - л-переходом и МОП-транзисторы обедненного типа) напряжение между затвором и истоком, при котором ток стока равен нулю, называется напряжением отсечки затвор исток i/зи отс и имеет обычно область значений от -3 до -10 в (разумеется, положительное для /7-каналь-ных устройств). По отношению к ПТ с р - -переходом широко применяется термин отпирающее напряжение , но это вносит путаш/цу, поскольку тот же термин в применении к МОП-транзисторам означает нечто совершенно другое. Для МОП-транзисторов обогащенного типа пороговое напряжение Uu (или зи пор) есть напряжение между затвором и истоком, при котором начинает протекать ток стока. Обычное значение Un лежит в пределах от 0,5 до 5 в, разумеется в прямом направлении 1>. Не путайте случайно термины, относящиеся к ПТ и к биполярным транзисторам - часто похожие термины означают совершенно разные вещи.

На рис. 6.8 показаны выходные характеристики ПТ вплоть до очень малых значений тока (в логарифмическом масштабе). Как

Во избежание путаницы и для упрощения индексации в дальнейшем Ози отс и С/п одинаково обозначаются Uu, и из контекста каждый раз ясно, о чем идет речь.- Прим. ред.

10 ID* 7с, МКА

Рис. 6.8. Зависимость тока стока от напряжения затвор - исток (изи), построенная в широком диапазоне значений /р.

а - экспериментально снятые характеристики -ка нального ПТ с р-п-переходом 2N6033; б - n-кaнaл^ ный МОП-транзистор обогащенного типа.

видно из рисунка, ПТ можно использовать в качестве источника тока, просто приложив постоянное напряжение (/зи- На практике так часто и делают.

Напряжение отсечки и пороговое напряжение. Понятие порогового напряжения заслуживает дальнейших разъяснений. Из приведенных графиков видно, что ток стока не имеет резкого спада. Он просто продолжает убывать. Чтобы понять, что происходит, лучше всего

I ПТ обедненного шипа

МОП-транзистор обогащенного типа

Рис. 6.9.

Субпорогп-вый учас- ток (зи

построить зависимость вида корень квадратный из /с от Узи при фиксированном значении (/си (рис. 6.9). Ток стока меняется точно по степенному закону с показателем Vz на большей части своего диапазона, но эта зависимость нарушается при малых значениях тока стока. Пороговое напряжение (или напряжение отсечки для ПТ с р - п-переходом) - это значение напряжения, при котором экстраполированный прямолинейный участок характеристики пересечет ось (/зи-Говоря другими словами, пороговое напряжение Un указывается так, чтобы ток стока ПТ приблизительно определялся формулой

и чтобы большие отклонения имели место только в субпороговой области очень малых токов стока (обычно менее 100 мкА). В паспортных данных ПТ пороговое напряжение иногда указывается как напряжение затвор - исток, соответствующее току 10 мкА; так как пороговое напряжение имеет очень больпюй промышленный разброс, то несущественно, какое определение употреблять.

Снова заметим, что характеристики для устройств обогащенного и обедненного типов отличаются только сдвигом вдоль оси (/зи. Иначе говоря, существенна только разность t/зи-Un, т. е. величина, на которую напряжение затвор - исток превосходит пороговое напряжение.

Эти кривые даны для нескольких значений k, которое пропорционально отношению ширины канала к его длине и фактору проводи-

мости , определяющемуся технологией изготовления. Эти переменные {k и t/n) являются основными параметрами полевого транзистора. После того как они установлены, зависимость Iq от Uy полностью определена. В некотором смысле они эквивалентны параметру / з, в фор- ,

муле Эберса - Молла. S Упасток насыщенигг

Ток насыщения стока пропорционален (isn)

Линейный участок простирается до

СИ.нас= зи п Рис. 6.10.

Зависимость /с от £/зи. После того как мы определили указанным образом пороговое напряжение (или напряжение отсечки для ПТ с р - л-переходом, или напряжение запирания затвор - исток), величину /с можно связать простой зависимостью с t/зи или более точно - с t/зи-Уп- Эту ситуацию схематически поясняет рис. 6.10. Ток стока растет линейно вместе с напряжением Uqw до значения

Уси нас, при котором ток выходит

на постоянный уровень (ПТ становится источником тока). Крутизна наклона линейного участка /с/си пропорциональна разности t/зи-Un. Далее, напряжение стока, при котором кривая выходит на насыщение , равно t/зи-t/n, и ток насыщения стока становится пропорционален величине (f/зи- -f/п) как указывает последняя формула. Резюмируя, получаем

/c=2[(t/3H -t/n) t/си-0,5t/H] (линейный участок), /c = *(t/3H-t/n) (участок насыщения).

В этих формулах предполагается, что подложка соединена с истоком. Постоянная k пропорциональна отношению длины канала к его ширине и некоторым другим параметрам (емкость слоя окисла, подвижность носителей). Важно, что у нее отрицательный температурный коэффициент:

Этот эффект сам по себе приводил бы к уменьшению /с с увеличением температуры. Однако он компенсируется тем, что t/n также зависит от температуры с коэффициентом порядка 2-5 мВ/°С, причем так, что разность С/зи-t/n растет с ростом температуры; эта последняя зависимость, отдельно взятая, привела бы к возрастанию /с с ростом температуры. В результате кривая зависимости тока стока от температуры получается такая, какая показана на рис. 6.11.

При больших токах стока убывание коэффициента k с ростом температуры влечет уменьшение тока стока - настоящее тепловое бегство! Как следствие этого, ПТ какого-нибудь одного типа могут

быть соединены параллельно без внешних токовыравнивающих резисторов. При малых токах стока (когда доминирует температурная зависимость Un) /с растет с ростом температуры и точка перехода от возрастания к убыванию находится при некотором промежуточном

значении тока стока. Этот эффект используется в операционных усилителях,построенных на двух ПТ, как мы увидим в разд. 6.19.

Не допускайте случайной путаницы между областью насыщения тока стока и насыщением биполярного транзистора: они полностью противоположны, так как насыщение биполярного транзистора есть состояние с малым (/э- А область насыщения ПТ - это область больших (/си, в которой ПТ дает весь ток стока, который только может, при данном напряжении затвора (/зи.

Нулевой температурный коэффициент смещения

Экстранолиро-ваииое значение Уп

Рис. 6.11. Зависимости /с(1/зи) -канального МОП-транзистора 2N4351.

Предыдущая формула для Iq на линейном участке содержит нелинейный член (/си- Этот член играет не очень большую роль, если напряжение затвора существенно больше порогового. В разд. 6.10 мы опишем изящный способ компенсировать эту нелинейность прн использовании ПТ в качестве регулятора усиления с переменным сопротивлением.

Для ПТ обедненного типа предыдущую формулу можно записать, используя параметр /с нас - ток стока при (/зи=0. В частности

/с = /с ас (t/зи -Un)VUh = /с ас ( 1 - UlUn).

Для МОП-транзистора обогащенного типа не существует такого же удобного параметра. Часто дается значение величины /с вкл. т. е. ток насыщения стока при некотором разумном большом значении Узи-Отсюда можно получить выражение для /с через (/зи, заметив, что

Мы вскоре используем эти формулы для получения выражения для gm через ток стока.

Упражнение 6.1. Закончите предыдущие выкладки, получив выражения для зависимостей /с от (/зи и (/си как на линейнсяи участке, так и в области насыщения для ПТ обогащенного и обедненного типов. В формулах должны быть использованы /с вкл н Сзи вкл (обогащенный тип) и /с нач (обедненный тип).

Влияние напряжения подложки МОП-транзистора. Подложка МОП-транзистора или связана внутри с истоком, или выводится

*) g - крутизна ПТ (см. ниже),- Прим, ред.